高速公路路塹邊坡設(shè)計參數(shù)反演及靈敏度分析

黃　新

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 鄭州 450052)

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高速公路路塹邊坡設(shè)計參數(shù)反演及靈敏度分析

黃新

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 鄭州 450052)

低山丘陵地區(qū)高速公路深開挖路塹邊坡易發(fā)生滑坡，滑坡治理設(shè)計參數(shù)用實驗方法不易獲得。本文以某高速公路深開挖路塹邊坡為例，利用數(shù)值模擬軟件Geoslope，根據(jù)極限平衡法，采用不同本構(gòu)模型進(jìn)行路塹邊坡設(shè)計參數(shù)反演，并對所得到的參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。結(jié)果表明：黏性土的黏聚力對邊坡安全穩(wěn)定性影響最大。

路塹邊坡；數(shù)值模擬；極限平衡法；本構(gòu)模型；參數(shù)反演；靈敏度

在低山丘陵區(qū)的高速公路建設(shè)中，深開挖路塹邊坡因臨空面較高，在失去原有土體支撐后易發(fā)生滑坡，常見的破壞形式有整體性破壞和局部性破壞。由于低山丘陵區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，滑坡發(fā)生后，滑坡體多包含全風(fēng)化巖石或碎石，取樣困難，滑移面土體抗剪強度等相關(guān)參數(shù)的原始數(shù)據(jù)不易獲得。本文以某高速公路工程邊坡為例，利用數(shù)值模擬軟件Geoslope及極限平衡理論[1]，根據(jù)滑坡宏觀變形狀況假設(shè)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，反算滑動體抗剪強度的相關(guān)參數(shù)，并對邊坡設(shè)計的密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等主要物理參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。

1　地質(zhì)概況

邊坡所處場地屬低山丘陵地貌，周邊分布溝谷，地形起伏較大。本文研究的邊坡位于丘陵半坡中部，兩側(cè)毗鄰溝谷邊坡，已經(jīng)發(fā)生雨后局部滑動。路塹邊坡所處丘陵坡體自然坡度22°～25°，開挖坡角45°～64°，路塹橫斷面呈倒梯形，開挖坡面分階開挖。邊坡長75 m，最大挖深38 m，其由上至下巖性分布為：

粉質(zhì)黏土：褐紅色，硬塑，含卵石顆粒20%～40%，卵石一般粒徑5～20 cm，最大超過70 cm，密度1.920 g/cm3，該層為滑坡體的主要巖土成分。

卵石：褐紅色，密實，圓棱狀，成分以強風(fēng)化安山巖、砂巖為主，一般粒徑5～20 cm，最大超過100 cm，以30%～50%的褐紅色、灰白色粉質(zhì)黏土充填，密度2.001 g/cm3。該層卵石分布不均勻，局部卵石起不到骨架作用，以粉質(zhì)黏土薄層為主，該層整體性較差。

粉質(zhì)黏土：褐黃色，堅硬，密度2.500 g/cm3，含黑色鐵錳質(zhì)斑點及灰白色粉質(zhì)黏土團塊，土質(zhì)不均，含小礫石和卵石，含量約30%，干強度高，韌性一般。

2　邊坡參數(shù)反演

2.1數(shù)學(xué)模型

按照設(shè)計要求，任取一邊坡土條進(jìn)行分析，如圖1所示。依據(jù)剛體極限平衡基本原理可得平衡方程[2]。對于每一個條塊，可建立三個平衡方程：∑Xi=0即Ficosαi-Nisinαi-mqxi+Xi+1-Xi=0∑Yi=0即Fisinαi-Nicosαi-mqyi+Yi+1-Yi=0

對坐標(biāo)原點的力矩：∑M(0)=0

在每個塊體的滑面上滿足摩爾-庫侖準(zhǔn)則條件的方程：

Fs=(Nitanφi+ci·li)/Fi

結(jié)合圖1可看出，在滑動土體的第i個條塊上，已知：n個滑動面上的剪切力Fi;n個滑動面上的法向力Ni；n-1個條塊間的法向力Xi；n-1個條塊間的切向力Yi；荷載系數(shù)m；每個條塊底面與水平方向的夾角αi；條塊底面長度li；條塊頂部受力荷載qxi和qyi。

圖1　邊坡土條受力示意圖

2.2模型求解方法

采用國際通用的邊坡數(shù)值模擬軟件Geoslope(該軟件基于極限平衡法原理)架構(gòu)本構(gòu)模型，模擬不同工況下邊坡的安全穩(wěn)定性，模型擬合工程實際情況，可在工程設(shè)計中起到指導(dǎo)作用[3]。根據(jù)地質(zhì)勘察資料進(jìn)行邊坡剖面分層，示意圖見圖2。

2.3參數(shù)反演

正在滑動的滑坡，可取穩(wěn)定系數(shù)Fs為0.95～1.00來反演滑移面力學(xué)參數(shù)。根據(jù)土層基本物理參數(shù)建立地質(zhì)模型并運行搜索，得到飽和狀態(tài)下邊坡最不

圖2　邊坡剖面分層示意圖

利滑動面所在位置(如圖3所示)。由圖3可知，滑坡主要發(fā)生在第一層和第二層，邊坡安全性穩(wěn)定系數(shù)為0.955，為失穩(wěn)狀態(tài)。邊坡穩(wěn)定等級云圖如圖4所示，與實際發(fā)生的滑動面相比，模擬滑動面與邊坡雨后滑動面基本吻合。根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)Fs取值范圍0.95～1.00，以最低值0.95和最高值1.00為安全系數(shù)，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，邊坡穩(wěn)定等級云圖分別如圖5和圖6所示。由圖5、圖6可知，滑動面位于第一層和第二層。邊坡上部巖性為粉質(zhì)黏土和泥質(zhì)充填的卵石層，下部為硬塑-堅硬狀粉質(zhì)黏土，整體穩(wěn)定性較好。路塹開挖后，坡腳卸荷使得抗滑力減小。隨著路塹的進(jìn)一步開挖和雨水的侵蝕，邊坡無法自穩(wěn)，導(dǎo)致發(fā)生牽引式滑坡。根據(jù)Fs取值(0.95～1.00)，所得反演參數(shù)見表1。因邊坡已經(jīng)發(fā)生滑動，模擬滑動面情況與邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為0.955的情況相吻合，因此設(shè)計時選擇安全穩(wěn)定系數(shù)為0.955。

表1　不同穩(wěn)定系數(shù)下的滑移面力學(xué)參數(shù)

2.4力學(xué)參數(shù)靈敏度分析

任一參數(shù)的誤差分析值△Pi對應(yīng)一組邊坡穩(wěn)定系數(shù)△Fi，用最小二乘法求出△Pi與△Fi的關(guān)系式，即靈敏度函數(shù)Fi的表達(dá)式[4]。每個參數(shù)的靈敏度函數(shù)見表2，將參數(shù)值代入，得到靈敏度系數(shù)，靈敏度越大表示該參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響越大。根據(jù)表2進(jìn)行靈敏度分析，分析方法見文獻(xiàn)[5]。分析可知，黏聚力對邊坡穩(wěn)定性變化的靈敏度是最強的，密度次之，內(nèi)摩擦角最低。

圖3　邊坡最不利滑動面及安全系數(shù)

圖4　Fs=0.955邊坡穩(wěn)定等級云圖

圖5　Fs=0.95邊坡穩(wěn)定等級云圖

圖6　Fs=1.00邊坡穩(wěn)定等級云圖

參數(shù)Fi表達(dá)式靈敏度系數(shù)密度/(g·m-3)-0.0039x+0.68850.6846黏聚力/KPa9E-16x2+0.0084x+0.67650.6849內(nèi)摩擦角/(°)0.0006x2+0.0312x+0.65240.6842

3　結(jié)　語

利用極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果與邊坡雨后發(fā)生滑坡的滑動面相符，故所得參數(shù)可以作為滑坡治理設(shè)計的依據(jù)。對邊坡穩(wěn)定性設(shè)計參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，得到了各參數(shù)的靈敏度情況。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性設(shè)計時，對靈敏度較強的參數(shù)應(yīng)力求精確，因為靈敏度越強，表示該參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響越顯著。

[1]張新建，國利民，楊國華，等.基于極限平衡理論的最終邊坡角穩(wěn)定性分析[J].礦業(yè)工程，2010，8(1)：11-14.

[2]黃夢宏，丁樺.邊坡穩(wěn)定性分析極限平衡法的簡化條件[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(12)：2529-2536.

[3]鄭濤，張玉燈，毛新生.基于Geo-Slope軟件的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報，2008，6(1)：6-8.

[4]黃茂忠，程慶國，吳亮明，等.靈敏度分析在橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報,1988,21(1):40-52.

[5]周祖權(quán)，宋漢周.水-巖作用模擬中飽和指數(shù)SI的靈敏度分析[J].河海大學(xué)學(xué)報,2001，11(6)：90-93.

(責(zé)任編輯:姜海芹)Sensitivity Analysis and Parameter Inversion for Cut Slope Design on the Superhighway

HUANG Xin

(Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.Ltd， Zhengzhou 450052， China)

Low mountain-hill region of freeway deep excavation is prone to landslides, and landslide control design parameters is difficult to be gotten used test methods. Taking a deep open Geo-SLOPE freeway cutting slope excavation for example, by using numerical simulation software Geoslope, based on the limit equilibrium method, constitutive models using a variety of cutting slope design parameters inversion, and the parameters of the model are obtained. The results show that the safety and stability factors of cohesive are most affected by the slope of cohesive soil slope.

cutting slope; numerical simulation; limit equilibrium; constitutive model; parameter inversion; sensitivity

2016-06-01

黃新(1980-)，男，河南范縣人，工程師，碩士，主要研究方向為工程地質(zhì)和水文地質(zhì)。

1671-6906(2016)04-0069-03

U412.2

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.015